Funktransceiver für kurze Übertragungsstrecken
Mit sehr wenig Energie senden
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Mit sehr wenig Energie senden
Sub-GHz ist besser
Die zwei verfügbaren Frequenzoptionen im ISM-Band (Industrial, Scientific und Medical) sind 2,4 GHz oder Sub-GHz. Die häufigsten 2,4-GHz-Protokolle in den Bereichen Industriesteuerung, Prozessautomatisierung und öffentliche Utilities sind Wi-Fi, Bluetooth und ZigBee. Für Ultra-Low-Power-Applikationen eignen sich am besten Sub-GHz-Protokolle, denn sie haben gegenüber 2,4 GHz mehrere Vorteile, einschließlich reduzierter Leistungsaufnahme sowie größerem Übertragungsbereich bei gleicher Leistung.
Das bessere Signallaufzeitverhalten eines Sub-GHz-Trägers lässt sich mit der Friis-Gleichung quantifizieren. Der Pfadverlust bei 2,4 GHz ist demnach 8,5 dB höher als bei 900 MHz. Dies ergibt eine 2,67-mal größere Reichweite für ein 900-MHz-Funksystem, da sich die Reichweite mit jeweils 6 dB mehr verdoppelt. Anders betrachtet würde eine 2,4-GHz-Lösung mehr als 8,5 dB zusätzliche Leistung benötigen, um die Reichweite eines 900-MHz-Funksystems zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil von Sub-GHz-Trägerfrequenzen ist, dass sie gegenüber 2,4-GHz-Systemen bezüglich physikalischen Hindernissen weniger empfindlich sind. Auch das Risiko von Interferenzen ist niedriger, weil das Sub-GHz-Band weniger »vollgestopft« ist als das 2,4-GHz-Band mit WLAN, Bluetooth und ZigBee, die in Wireless-Hubs, Computern, Mobiltelefonen und Mikrowellenherden verwendet werden.
Sub-GHz-ISM-Bänder werden primär für proprietäre und standardbasierte Verbindungen mit niedriger Einschaltdauer verwendet und stören sich höchstwahrscheinlich gegenseitig nicht. In einem »ruhigeren« Spektrum ergibt sich normalerweise eine »einfachere« Übertragung mit weniger Neuversuchen. Dies ist effizienter und schont die Batterie.
Die Link-Datenrate schließlich ist einer der wichtigsten Faktoren, die den Energieverbrauch einer Funkverbindung mit fester Einschaltdauer beeinflussen. Die Zeit, die vergeht, damit das Funksystem die Nutzdaten über die Luft transportiert, hängt von verschiedenen Faktoren ab: Anforderungen an die Datenrate, Protokoll-Overhead zum Aufbau und Erhalt der Kommunikationsverbindung und Latenzanforderung des Netzwerks.
Die durchschnittliche Leistungsaufnahme ist fast umgekehrt proportional zur Link-Datenrate; zum Beispiel nimmt ein Funksystem mit 100 kBit/s fast halb so viel Leistung wie ein 50-kBit/s-System bei gleicher Nutzlast auf, unter der Annahme, dass beide HF-Teile eine ähnliche Leistungsaufnahme haben. Beim Vergleich von HF-Transceivern ist »Energie pro Bit« ein besserer Indikator für die Effizienz als die Stromaufnahme. Allerdings sind Funksysteme mit hoher Datenrate oft diejenigen mit höheren Spitzenströmen. Und diese sind für die meisten kleinen Batterien oder Energy-Harvester höchst unerwünscht, weil sie das Powermanagement deutlich einschränken würden.
Einige Protokoll-Stacks erzeugen bei der Übertragung von Nutzdaten mehr Overhead als andere. Standards wie ZigBee und Bluetooth bieten hochentwickelte Link- und Netzwerk-Layer, diese sind bei einem Funksystem aber auch für bis zu 50 bis 75 Prozent der Leistungsaufnahme verantwortlich. Für Ultra-Low-Power-Systeme ist die standardisierte »Patentlösung« für alle Fälle selten die optimale. Stattdessen sollten Entwickler, die Lösungen für derartige Applikationen realisieren, das für ihre Anforderungen am besten geeignete Protokoll in Erwägung ziehen.
Die Latenzanforderung des Netzwerks hat auch einen wesentlichen Einfluss auf die Nutzlast-Transportzeit und die zugehörige Leistungsaufnahme, einschließlich der Zeit, die Knoten mit »Listening« oder »Sniffing« verbringen, was eine Funktion der Latenz ist. In Systemen mit hoher Einschaltdauer ist die Leistung infolge Sniffing der größte Anteil des Power-Budgets.
Zum Beispiel wird in 802.15.4-Mesh-Netzwerken etwa neun Prozent der Systemleistung für Empfangsfunktionen verwendet. In Systemen mit höherer Nutzlast kann Sniffing nicht so dominant sein. Die Empfangsleistung wird jedoch noch immer über 50 Prozent des HF-Budgets betragen. Der geringstmögliche Energieverbrauch des Empfängers ist häufig entscheidend für Ultra-Low-Power-Messwertfernübertragung.
Wireless-EKG-System hält bis zu einer Woche
Jeder der oben erwähnten Faktoren ist für Applikationen wie medizinische Funksensor-Netzwerke entscheidend, die nur wenig Leistung aufnehmen dürfen und eine Nutzlast von über 10 Bit/s erreichen müssen. Bisher verfügbare, am Körper getragene Funksensoren eigneten sich lediglich für sich langsam verändernde Parameter. Neue HF-Technologien können nun genutzt werden, um sich schneller ändernde physiologische Werte wie etwa die Aktivitäten von Herz und Gehirn oder den Sauerstoffgehalt im Blut zu überwachen.
Um aussagekräftige Signalverläufe darstellen zu könne, sind Datenraten in der Gegend von 0,5 kBit/s bis 5 kBit/s erforderlich. Ein Beispiel für eine Lösung, die dieses Maß an Performance für Wireless-Medizinsensoren liefert, ist der Transceiver »ZL70250« von Microsemi (Bild 2).
Das Bauteil befindet sich in einem etwa 2 mm x 3 mm großen Chip-Scale-Gehäuse und verfügt über Standard-Zweidraht- und -SPI-Schnittstellen für Steuerung und Datenübertragung mit einem beliebigen Standard-Mikrocontroller. Der A/D-Wandler des Mikrocontrollers wird mit der analogen Ultra-Low-Power-Eingangsstufe verbunden.
In Kombination mit dem ZL70250 kann die resultierende Lösung zur Entwicklung eines Wireless-EKG-Systems verwendet werden, das ohne Batteriewechsel bis zu eine Woche lang kontinuierlich arbeiten kann. Eine ähnlich hohe Leistungseffizienz lässt sich für Geräte wie einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser oder ein Pulsoximeter zur Messung der Atemfrequenz sowie eine Reihe anderer Health-Monitoring-Plattformen erzielen.
Über den Autor:
Reghu Rajan ist Strategic Marketing Engineer in der Integrated Circuits Group bei Microsemi.
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